轻钢结构设计中的若干问题探讨

2013-08-15吴文锦

中国建筑金属结构 2013年12期

吴文锦

（安徽省建筑设计研究院有限责任公司，安徽合肥 230001）

1 结构形式

门式刚架是现在应用最为广泛的结构，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》仅仅对于A1～A5工作级别起重量小于20t的桥式吊车有效。对于吨位比较大的桥式吊车，即使存在设计成功的范例，从经济角度看看，并不合理，因为此时采用实腹式钢柱截面非常大。采用格构式钢柱或是钢管混凝土格构式柱可以在上述情况下采用。预应力格构式刚架可用于刚架跨度较大的情况。

在门式刚架结构设计中，工艺布置得到满足的条件下，应该对最优柱距以及最优跨度做充分的考虑。工程实际中的经验是：载荷较大时应加大柱距，可取8m左右，刚架跨度取19～20m；载荷较小，柱距可取6m左右，刚架跨度可取25～31m。

2 刚度及稳定设计

2.1 刚度设计

有重级及多层框架的工作厂房的变形监控，《钢结构设计规范》中做了具体的要求。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》对普通单层结构做出了明确的规定。

适用性问题是结构变形所涵盖的问题，相对于安全性其考虑的并不深。笔者认为，单层钢结构厂房的变形在设计是可以放宽标准，变形控制的建筑中，放宽变形容许条件可以降低经济成本。通过比较已经建成的轻钢结构厂房，在檐口的高度小于9m的单层厂房，强度条件是唯一考虑的因素，刚度变形不在考虑范围。这种做法同美国标准一致。

2.2 稳定设计

在设计时，屋面梁柱外翼缘和上翼缘由檩条约束，但是轻钢结构屋面相对质量轻，内力的方向容易被风载荷改变，由此柱内翼缘和梁下翼缘都有受到压力的可能，此时，可通过设置隅撑来解决，下翼缘的整体稳定有隅撑连接下翼缘与檩条，行成侧向约束解决。

设计采用Z型和C型檩条时，搭接连续性檩条，此时的连续梁的计算模式相对简支梁为模式效果更好一些。此时简支梁模式相对连续梁模式刚度小，稳定性也不如连续梁。美国钢结构图纸和技术中，他们的连续梁中反弯点之间的长度作为计算稳定的自由长度。此种方法比我国采用的自由长度小，稳定性也相对较好。

3 基础设计

轻钢结构结构自身重量轻，基础的竖向荷载相对小，在钢结构的设计中基础大小的控制因素往往是水平载荷。工业厂房的偏心值在规范中并没有明确的给出，基础底面在偏心荷载作用下反力不均匀，会影响厂房的使用，同时也可能使基础发生倾斜。研究表明对基底土压力的分布做一下限制合理：基柱要承担一般吊车载荷的情况下，Pmin≥0，地基与基底底面没有出现脱离，在此条件下，偏心距的最大值为b/6；柱基在没有吊车载荷而仅仅有风载荷的条件下，地基和基础底面可以不完全接触，接触部分长度和基础长度比值大于0.75，此时，还应该验证底板受拉一边的抗弯强度。为了满足上述要求，我们可以增加基础压重，使用偏心基础、增加埋深等措施。

4 支撑体系、檩条的计算分析

张紧的圆钢组成的柔性支撑的支撑体系，一般用于没有吊车的情况下。我们通常采用的是花篮螺栓，缺点是相对于圆钢支撑端部用螺母张紧的做法成本低，优点是能有有效减少有支撑松弛造成的影响。

规范中指出，在檩条的下翼缘在风吸力组合作用下受压的条件下，拉条适当布置在檩条的上、下翼缘附近。目前具有争论的在于，规范中没有给出对拉条位置具体的设置方法。设置双层拉条是比较稳妥的方式，当时通常的做法还是仅在檩条的上缘附近设置拉条。通过稳定计算当檩条在风吸力组合下下翼缘受压的情况，此时跨度作为檩条下翼缘侧向的计算长度，但在风吸力作用下的墙梁按照此方法计算并不合理，因为控制截面的唯一因素将是稳定，计算非常不经济。

经过验算受压稳定后，檐口和屋脊处采用双檩的条件下，刚性杆件可以取消，此时传递纵向水平力的压杆是檩条，在有垂直支撑处设置刚性系杆仍然是必要的。在采用扣合式屋面板的情况下，檩条的侧向支撑不是屋面板，檩条应分情况按照不同的方法计算。规范中对各种情况进行了详细的区分，设计中注意区分。

5 节点连接

规范中指出梁柱拼接和连接节点的形式主要是端板连接，包括的形式有外伸式加肋、外伸式和平板式等。拉力的分布状态通过使用加劲肋进行改善提高，由于受拉翼缘两侧螺栓受力均匀，有效减少了端板厚度以及螺栓使用数量，同时提高了节点的抗弯能力。斜放、竖放和平放是梁与边柱连接节点的三种方式。条件允许的情况下，端板平放是我们优先考虑的形式，因为此时柱能在安装时起到临时支架作用，而且可以减小节点的设计剪力。端板竖放和斜放适用于节点弯矩较大的情形，当端板斜放的情况下，应该注意保证安装空间，而且此时对精度也有较高要求。

铰接处理可应用于梁与中柱连接的情况下，在需要控制水平位移以及跨中反弯矩很大的条件下，此处可采用刚接设计。梁的下翼缘和端板平放，既便于安装，又使受力合理。剪力与弯矩较小处进行梁中间拼接。